JP4085239B2

JP4085239B2 - ガス化方法、及びガス化装置

Info

Publication number: JP4085239B2
Application number: JP2002034173A
Authority: JP
Inventors: 穐山　　徹; 真二田中; 文彦木曽; 文彦花山
Original assignee: Babcock Hitachi KK; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2002-02-12
Filing date: 2002-02-12
Publication date: 2008-05-14
Anticipated expiration: 2022-02-12
Also published as: WO2003068894A1; AU2003207084A1; JP2003231888A; CN100447221C; CN1630701A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体燃料のガス化技術に係り、特に、気流層方式のガス化炉を用いた固体燃料のガス化技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体燃料、例えば石炭などの固体の炭化水素などを微粉砕し、酸素により部分燃焼させてガスを生成するガス化装置としては、固定層、流動層、そして気流層または噴流層と称されるものなど様々な方式のものが提案されている。これらのなかで、気流層または噴流層と称されている方式は、例えば１５００℃といったような比較的高温でのガス化炉の運転が可能であり、燃料のガスヘの変換効率が他の方式に比べて高い。また、比較的高温でのガス化炉の運転が可能であることにより、炭化水素などの固体燃料中の灰分を溶融することができるため、灰分をスラグとして回収して再利用することもできる。このような気流層方式のガス化炉が、特公平５−２５９１９号公報、特開昭５９−８４９８０号公報などに提案されている。
【０００３】
ここで、このような気流層方式のガス化炉を備えたガス化装置では、ガス化炉内で生成されガス化炉から排出された生成ガスは、未反応の可燃成分、例えば未反応のチャーやタールなどの炭素分などを含む煤塵を同伴している。このため、この生成ガスに同伴される未反応の可燃成分をガス化炉に再供給して、可燃成分をできるだけ利用し、燃料のガスへの変換効率を向上する構成のガス化装置が、特開昭５８−１３８７９０号公報、特開昭６０−２６０６８９号公報、特開昭６１−２９２号公報、特開昭６２−１３１０９４号公報、特許第２７１９４２４号公報、特開平７−２７８５７５号公報、特開２０００−３２８０７４号公報などに提案されている。
【０００４】
特開昭５８−１３８７９０号公報や特開平７−２７８５７５号公報に提案されているようなガス化装置では、ガス化炉として、筒状に形成されたガス化炉の一方の端部側に生成ガスの出口が設けられ、他方の端部側に燃料や酸素または空気を供給するバーナが設けられた構成のガス化炉を有している。そして、ガス化炉の出口から排出された生成ガスに同伴された未反応の可燃成分を含む煤塵を生成ガスから回収し、この回収した煤塵と、微粉砕された石炭などの固形燃料などとを混合してスラリとしている。そして、このスラリを、燃料としてポンプなどでガス化炉の運転圧力以上に加圧してガス化炉に供給している。このようなガス化装置では、生成ガスから回収した煤塵と共に微粉砕した固体燃料をスラリとしてガス化炉に供給するため、ガス化炉内に供給された水分によって燃料の発熱量が低下してしまう。
【０００５】
一方、特開２０００−３２８０７４号公報などに提案されているようなガス化装置では、微粉砕された粉体状または粒体状の固体燃料は、固体燃料の搬送用の気体によりガス化炉内に気流搬送される。一方、微粉砕した燃料を生成ガスに同伴する煤塵は、サイクロン及びフィルタなどにより生成ガスから除去されると共に回収され、この回収された乾燥状態の煤塵は、ロックホッパを介してガス化炉の運転圧力以上に加圧してガス化炉に再供給される。したがって、燃料の供給や生成ガスから回収した煤塵の再供給において、ガス化炉内に水分が供給されないため、燃料の発熱量の低下を抑制できる。しかし、このようなガス化装置では、生成ガスから回収した煤塵をガス化炉に再供給するのにロックホッパが必要となるため、装置のコストが増大してしまう。
【０００６】
これに対して、特開昭６０−２６０６８９号公報、特開昭６１−２９２号公報、特開昭６２−１３１０９４号公報、特許第２７１９４２４号公報などに提案されているようなガス化装置では、ガス化炉として、筒状に形成されたガス化炉の一方の端部側に生成ガスの出口が設けられ、他方の端部側に燃料や酸素または空気を供給するバーナが設けられた構成のガス化炉を有しており、固体燃料は、気流搬送によりバーナを介してガス化炉に供給される。一方、ガス化炉から排出された生成ガスに同伴する煤塵は、生成ガスから回収されてスラリ化され、この煤塵を含むスラリは、ポンプなどでガス化炉の運転圧力以上に加圧されて、ガス化炉のバーナが設けられた段部に再供給される。このようなガス化装置であれば、固体燃料は、気流搬送によりガス化炉に供給されるため、燃料の発熱量の減少、つまりガス化炉内の温度の低下を低減できる。
【０００７】
また、特公昭５７−１７９１４号公報には、流動層方式のガス化炉を備えたガス化装置において、生成ガスに同伴されたチャーやタールなどを含む煤塵を回収して生成したスラリを、ガス化炉下部のチャー燃焼帯域に再供給することが記載されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のガス化装置では、ガス化炉で生成された生成ガスの温度をこの生成ガスが送られる設備や機器類が要求する温度に冷却するため、ガス化炉の出口に連続する生成ガスの流路を有する冷却器を設け、ガス化炉から排出された生成ガスを冷却している。例えば、生成ガスを脱硫装置などで処理する場合、一般に脱硫処理は常温で行われるため、生成ガスを脱硫装置で常温にできるように冷却する必要がある。このような生成ガスを冷却する冷却器としては、流路を通流する水や蒸気などの流体と生成ガスとの間で熱交換を行うことで生成ガスを冷却するボイラ式の冷却器が用いられている。
【０００９】
このとき、ガス化炉内から排出される生成ガスの温度によっては、ガス化炉内から排出される生成ガスに同伴された灰分の融解によってスラグが生成される場合がある。このため、冷却器として、生成ガスの流路内に生成ガスと熱交換を行う流体が通流する管路を複数配置した構造の冷却器を用いると、流体が通流する管路の隙間などにスラグが付着し、生成ガスの流路を閉塞してしまう場合がある。そこで、ガス化炉から排出される生成ガスの温度が、スラグが生成されるような温度になる可能性のあるガス化装置では、スラグによる流路の閉塞を防止するため、生成ガスの流路を画成する壁面に生成ガスと熱交換を行う流体が通流する流路を設けた構造、例えば水冷壁構造やジャケット構造の冷却器をガス化炉の出口に連結している。
【００１０】
このような水冷壁構造やジャケット構造などの冷却器は、熱交換効率つまり冷却効率が生成ガスの流路内に複数の管路を配置した構造の冷却器に比べて低いため、冷却器が大型化してしまう。例えば、数メートル程度の高さのガス化炉に対して数十メートルの高さの冷却器を設置しなければならない場合がある。このようなガス化装置に設けられた水冷壁構造やジャケット構造などの冷却器が、ガス化装置の大型化やコストの増大などを招いている。このため、ガス化炉から排出される生成ガスの温度を低下させることにより、水冷壁構造やジャケット構造などの冷却器を小型化することが望まれている。
【００１１】
これに対して本願の発明者らは、ガス化炉から排出された生成ガスから回収した煤塵で生成したスラリをガス化炉の生成ガスの出口側に供給し、このガス化炉の生成ガスの出口側に供給されたスラリの水分の蒸発により、ガス化炉から排出される生成ガスの温度を低下させることを考えている。しかし、スラリをガス化炉の生成ガスの出口側に供給すると、供給されたスラリは生成ガスに同伴されてガス化炉から排出されてしまうことになる。このため、従来の煤塵を含むスラリをガス化炉に再供給するガス化装置に比べ、スラリに含まれる未反応の可燃成分のガス化炉内での滞留時間が短く、この未反応の可燃成分がガス化炉内で反応し難くなり、燃料のガスへの変換効率を向上できなくなる。したがって、燃料のガスへの変換効率を向上しながらガス化炉から排出される生成ガスの温度を低下させる必要がある。
【００１２】
本発明の課題は、燃料のガスへの変換効率を向上しながらガス化炉から排出される生成ガスの温度を低下させることにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のガス化方法は、固体燃料を部分燃焼させてガスを生成するガス化炉の生成ガスの出口側の部分に、この出口から排出された生成ガスに同伴された未反応の可燃成分を含む煤塵を回収して生成したスラリを供給し、この供給されたスラリを、ガス化炉内の出口に向かう生成ガスの流れである上昇流に対向する方向に流すことにより上記課題を解決する。
【００１４】
このような構成とすることにより、スラリがガス化炉の生成ガスの出口側部分に供給されることにより、スラリ中の水分によってガス化炉から排出される生成ガスの温度を低下できる。さらに、ガス化炉内に供給されたスラリを、出口に向かうガス化炉内の生成ガスの流れに対向する方向に流すことにより、スラリに含まれる未反応の可燃成分がガス化炉内に留まる時間を長くでき、スラリに含まれる未反応の可燃成分の反応量を増加できる。したがって、燃料のガスへの変換効率を向上しながらガス化炉から排出される生成ガスの温度を低下できる。
【００１５】
さらに、ガス化炉が、このガス化炉内に固体燃料を供給する下段バーナと、ガス化炉の下段バーナよりも出口側の部分に設けられ、ガス化炉内に固体燃料を供給すると共にガス化炉内に下降流を形成する上段バーナとを有し、スラリを、ガス化炉の上段バーナが設けられた段部に供給する。これにより、ガス化炉の出口側の部分に供給されたスラリが、上段バーナによって形成された下降流に同伴されるため、スラリをガス化炉内の出口に向かう生成ガスの流れである上昇流に対向する方向に容易に流すことができる。
【００１６】
また、スラリをガス化炉内に噴出し、ガス化炉内に出口に向かう生成ガスの流れである上昇流に対向する方向への流れを形成することが好ましい。これによれば、上段バーナによって下降流を形成しなくても、ガス化炉内の生成ガスの流れである上昇流に対向させて、スラリを出口に向かう生成ガスの流れである上昇流に対向する方向に流すことができる。
【００１７】
さらに、本発明のガス化装置は、固体燃料を部分燃焼させてガスを生成するガス化炉と、このガス化炉で生成された生成ガスが通流する生成ガス流路と、この生成ガス流路に設けられて生成ガスに同伴された未反応の可燃成分を含む煤塵を回収し、この回収された煤塵からスラリを生成するスラリ生成手段と、このスラリ生成手段で生成したスラリを加圧して搬送するポンプと、このポンプによってスラリ生成手段から搬送されたスラリをガス化炉内に供給するノズルとを備え、このノズルは、ガス化炉の生成ガスの出口側の部分に設けられており、ノズルからガス化炉内に供給されたスラリは、出口に向かうガス化炉内の生成ガスの流れである上昇流に対向する方向に流れる構成とすることにより上記課題を解決する。
【００１８】
このような構成とすることにより、スラリがガス化炉の生成ガスの出口側部分に供給されることにより、スラリ中の水分でガス化炉から排出される生成ガスの温度を低下できる。さらに、ノズルからガス化炉内に供給されたスラリが、出口に向かうガス化炉内の生成ガスの流れに対向する方向に流れることにより、スラリに含まれる未反応の可燃成分がガス化炉内に留まる時間を長くでき、スラリに含まれる未反応の可燃成分の反応量を増加できる。したがって、燃料のガスへの変換効率を向上しながらガス化炉から排出される生成ガスの温度を低下できる。
【００１９】
さらに、ガス化炉は、このガス化炉内に固体燃料を供給する下段バーナと、ガス化炉の下段バーナよりも出口側の部分に設けられ、ガス化炉内に固体燃料を供給すると共にガス化炉内に下降流を形成する上段バーナとを有し、ノズルは、ガス化炉の上段バーナが設けられた段部に設けられた構成とする。このように、上段バーナと下段バーナを有する２段バーナ式のガス化炉の上段バーナが設けられた段部にノズルを設ければ、ノズルからガス化炉内に供給されたスラリは、上段バーナによって形成された下降流に同伴されて流れるため、スラリを出口に向かうガス化炉内の生成ガスの流れである上昇流に対向する方向に容易に流すことができる。
【００２０】
また、スラリ生成手段は、生成ガス流路を通流する生成ガスを水またはアルカリ溶液で洗浄して生成ガスに同伴された煤塵を生成ガスから除去して回収する洗浄器と、この洗浄器で回収された煤塵を含む洗浄排水から水の一部を除去してスラリ中の水の量を調整する脱水機とを有する構成とする。このような構成とすれば、煤塵を含むスラリを生成する際に、煤塵に水を添加するための機器類を設ける必要がないので好ましい。
【００２１】
さらに、ガス化炉から排出される生成ガスの温度を測定する温度検出器を備え、スラリ生成手段は、温度検出器で検出した生成ガスの温度に応じてスラリに含まれる水の量を調整する構成とする。このような構成とすれば、スラリ中の水の量によって、ガス化炉から排出される生成ガスの温度を制御できるので好ましい。
【００２２】
また、上記いずれかのガス化装置を備え、固体燃料が固体炭化水素である構成の水素製造装置とする。さらに、上記のいずれかのガス化装置と、このガス化装置から排出される生成ガスに含まれる一酸化炭素と水から水素を生成する反応に対する触媒を収容する触媒反応器とを備え、固体燃料が固体炭化水素である構成の水素製造装置とする。このような構成の水素製造装置とすれば、生成ガス中のの水素濃度を増大できると共に、水素製造装置を小型化できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明を適用してなるガス化装置の第１の実施形態について図１乃至図４を参照して説明する。図１は、本発明を適用してなるガス化装置の概略構成と動作を示すブロック図である。図２は、本発明を適用してなるガス化装置が備えるガス化炉の概略構成と動作を示す縦断面図である。図３は、本発明を適用してなるガス化装置が備えるガス化炉の概略構成と動作を示す下段バーナが設けられた段部の横断面図である。図４は、本発明を適用してなるガス化装置が備えるガス化炉の概略構成と動作を示す上段バーナが設けられた段部の横断面図である。なお、本実施形態では、ガス化炉内に上昇する旋回流を形成する上段バーナと下降する旋回流を形成する上段バーナとの２段に配置されたバーナを有する旋回流式のガス化炉を備えたガス化装置を例示している。
【００２４】
本実施形態のガス化装置は、図１に示すように、固体燃料として粒体状または粉体状の固体炭化水素、例えば微粉砕した石炭を燃料としてガス化を行うガス化炉１、ガス化炉１で生成された生成ガス中の未反応の可燃成分である炭素分を含む煤塵つまりチャーなどを水またはアルカリ溶液などによって洗浄し生成ガス中から除去するガス洗浄器３、ガス洗浄器３からのチャーを含む洗浄排水中の水の一部を分離するための脱水機５、脱水機５で水の量が調整されることで生成されたスラリを加圧して搬送するためのスラリポンプ７、脱水機５で分離された水をガス洗浄器３に戻すための洗浄水ポンプ９、そして、スラリポンプ７で搬送されたスラリをガス化炉１内に供給するためのノズル１１などで構成されている。
【００２５】
ガス化炉１は、図１及び図２に示すように、縦型の炉であり、ガス化室１３、ガス化室１３の下方に設けられたスラグ回収室１５などを有している。また、ガス化炉１のガス化室１３の上方には、ガス化炉１で生成された生成ガスを冷却するための冷却器１７が連結されている。ガス化室１３は、円筒形に形成されており、内面に耐火材１９が内張りされる。ガス化炉１のガス化室１３の下側部分には、下段バーナ２１が、下段バーナ２１よりも上側で、かつガス化室１３からの生成ガスの出口２３側の部分には上段バーナ２５が、そして、ガス化炉１のガス化室１３の上段バーナ２５が設けられた段部にノズル１１が設けられている。
【００２６】
下段バーナ２１は、図３に示すように、下段バーナ２１からの燃料などの噴出方向を、旋回流を形成する位置に仮定されるガス化炉１の外壁との同心円２７の接線方向に沿わせた状態で設置される。このように下段バーナ２１が設けられることにより、ガス化炉１のガス化室１３内に同心円２７に沿う旋回流が形成される。なお、本実施形態では、４本の下段バーナ２１が等間隔で設置されている。上段バーナ２５は、図４に示すように、上段バーナ２５からの燃料などの噴出方向を、旋回流を形成する位置に仮定されるガス化炉１の外壁との同心円２９の接線方向に沿わせた状態で設置される。このように上段バーナ２５が設けられることにより、ガス化炉１のガス化室１３内に同心円２９に沿う旋回流が形成される。なお、本実施形態では、２本の上段バーナ２５が等間隔に設置されている。
【００２７】
本実施形態では、ノズル１１も、上段バーナ２５と同様に、旋回流を形成する位置に仮定されるガス化炉１の外壁との同心円２９の接線方向に沿わせた状態で設置されている。本実施形態では、２本のノズル１１がガス化炉１の上段バーナ２５が設置された段部に上段バーナ２５と交互に等間隔で設置されている。なお、ノズル１１は、ノズル１１からガス化炉１内に供給されたスラリが上段バーナ２５によって形成された旋回流に同伴されればよいため、ガス化炉１の上段バーナ２５が設置された段部であれば、上段バーナ２５の設置位置と同じ高さに設ける必要はなく、上段バーナ２５の設置位置よりも高い位置や低い位置にも設けることができる。
【００２８】
さらに、ガス化炉１の上段バーナ２５が本実施形態のような２段のバーナを有するガス化炉１では、ノズル１１からガス化炉１内に供給されたスラリは、上段バーナ２５が形成する下降する旋回流つまり下降流に同伴されて、出口２３に向かうガス化炉１内の生成ガスの流れである上昇流に対向する方向に流れる。したがって、ノズル１１は、本実施形態のように同心円２９に沿う旋回流を形成する状態で設置する必要はない。ただし、本実施形態のように同心円２９に沿う旋回流を形成する状態でノズル１１を設置すれば、上段バーナ２５が形成する下降する旋回流を乱し難いので好ましい。
【００２９】
予め微粉砕された石炭は、図１及び図２に示すように、下段バーナ２１に連結され、固体燃料の流路となる下段側燃料管路３１と、上段バーナ２５に連結され、固体燃料の流路となる上段側燃料管路３３とに分割され、窒素や二酸化炭素などの不燃性ガスにより下段バーナ２１と上段バーナ２５を介してガス化炉１内に供給される。さらに、下段バーナ２１と上段バーナ２５には、ガス化剤となる酸素を下段バーナ２１と上段バーナ２５に導くための酸素または空気の流路となる下段側酸素管路３５と上段側酸素管路３７とが各々連結されており、酸素または空気は、下段バーナ２１と上段バーナ２５を介して微粉砕された石炭と共にガス化炉１内に供給される。
【００３０】
ガス化室１３とスラグ回収室１５とは、図２に示すように、ガス化室１３及びスラグ回収室１５の内径よりも径が細く形成されたスラグタップ３９を介して接続される。スラグ回収室１５には、点火バーナ４１及びスラグタップバーナ４３が設置されている。点火バーナ４１には、補助燃料を点火バーナ４１に導くための流路となる補助燃料管路４５と、酸素または空気を点火バーナ４１に導くための流路となる点火バーナ用酸素管路４７とが連結されている。スラグタップバーナ４３にも、点火バーナ４１と同様に、補助燃料をスラグタップバーナ４３に導くための流路となる補助燃料管路４９と、酸素または空気をスラグタップバーナ４３に導くための流路となるスラグタップバーナ用酸素管路５１とが連結されている。なお、スラグタップバーナ４３は、必ず設ける必要はない。
【００３１】
ガス化炉１の上方には、図２に示すように、ガス化炉１の生成ガスの出口２３に連通し、上下方向に延在する生成ガスの流路からなる冷却室５３を有する冷却器１７が設けられている。冷却室５３を画成する側壁は、水などの冷却液や冷却用蒸気などの冷却媒体が通流する管路で形成された水冷壁式または冷却媒体が通流する流路５４が内部に形成されたジャケット式の熱交換器となっており、冷却器１７の下部には、冷却媒体を冷却器１７に導入する冷却媒体導入管路５５が、冷却器１７の上部には、熱交換して加熱された冷却媒体を冷却器１７から導出する冷却媒体導出管路５７が連結されている。なお、図１では冷却器１７の図示を省略しているが、冷却器１７は、ガス化炉１から排出される生成ガスの温度に応じて設置すべきか否かが決定されるものであり、本発明のガス化装置においては、必ず必要なものではない。
【００３２】
ガス化炉１のガス化室１３で生成された生成ガスは、冷却器１７が設けられていない場合には、ガス化炉１のガス化室１３の出口２３に、冷却器１７が設けられていない場合には、冷却器１７の上端部に連結され、生成ガスの流路となる生成ガス管路５９に流入する。生成ガス管路５９に流入した生成ガスは、図１に示すように、生成ガス管路５９内を通流し、生成ガス管路５９が連結されたガス洗浄器３に導かれる。
【００３３】
ガス洗浄器３で洗浄された生成ガスである精製ガスは、ガス洗浄器３に連結され、精製ガスの流路となる精製ガス管路６１を介して、ガス化装置の後段に配された設備や機器類などに導かれる。一方、生成ガスに同伴されていたチャーなどの煤塵を含むガス洗浄器３からの洗浄排水は、洗浄排水の流路となる洗浄排水管路６３を介して、脱水機５に導かれる。なお、精製ガス管路６１には、精製ガス管路６１内を通流する精製ガスの温度やガス化装置の後段に配された設備や機器類などが要求する精製ガスの温度などに応じて、冷却器１７とは別に、精製ガスを冷却する冷却器が設けられる場合がある。この精製ガス管路６１に設けられる冷却器としては、一般に、精製ガスが通流する流路内に冷却媒体が通流する複数の管路が設置された構造のものが用いられる。脱水機５は、洗浄排水管路６３を介してガス洗浄器３から導かれてきた洗浄排水から余分な水を分離することにより、チャーを含むスラリを生成する。脱水機５としては、洗浄排水から余分な水を分離することができれば、ストレーナ、フィルタ、沈降層、遠心分離など様々な方式の脱水機が使用できる。このようにガス洗浄器３と脱水機５はスラリ生成手段を構成している。
【００３４】
脱水機５で分離された水は、洗浄水ポンプ９が設けられた洗浄水管路６５を介してガス洗浄器３に再供給され、洗浄水として使用される。一方、脱水機５で生成されたスラリは、スラリポンプ７を設けたスラリ供給管路６７を介してガス化炉１に設けられたノズル１１に搬送される。スラリポンプ７は、スラリをガス化炉１の運転圧力以上に加圧してノズル１１に搬送する。
【００３５】
このような構成のガス化装置の動作と本発明の特徴部について説明する。ガス化炉１内の下段バーナ２１が設けられた段部では、固体燃料中の可燃成分の一部がガス化剤により酸化されること、つまり固体燃料中の可燃成分が部分燃焼することにより、例えば１５００℃程度の高熱を発する。このガス化室１３内の高熱により、固体燃料中の灰分は溶融し、スラグタツプ３９を通じてスラグ回収室１５に回収される。
【００３６】
一方、固体燃料中の可燃成分の残りは、ガス化室１３内で水素や一酸化炭素といった可燃性のガスに変換される。ガス化室１３内で生成された可燃性のガスである生成ガスは、ガス化炉１の出口２３から生成ガス管路５９に排出される。生成ガス管路５９を通流するガス化炉１からの生成ガスに同伴されている未反応の可燃成分である炭素分を含む煤塵は、ガス洗浄器３で洗浄水によって回収される。ガス洗浄器３からの回収された煤塵を含む洗浄排水は、脱水機５で、予め設定された量の水が分離されることで所望の濃度でスラリ化される。
【００３７】
得られたスラリは、スラリポンプ７でガス化炉１の運転圧力以上に加圧されてノズル１１からガス化炉１内に供給される。ガス化炉１内に供給されたスラリは、上段バーナ２５で形成された、ガス化炉１の出口２３に向かうガス化炉１内の生成ガスの流れに対向する方向の流れである下降流に同伴されてガス化炉１内の下段バーナ２１が設けられた段部に流れる。スラリとしてガス化炉１内に再供給された未反応の可燃成分は、ノズル１１から下段バーナ２１が設けられた段部に下降し、さらに下段バーナ２１が設けられた段部から上段バーナ２５が設けられた段部に上昇する間、再度反応の機会に曝されガス化される。さらに、水を含むスラリがノズル１１によって上段バーナ２５が設けられた段部に供給されるため、ガス化炉１内の熱でスラリ中の水分が蒸発することによってガス化炉１の上段バーナ２５が設けられた段部が冷却され、ガス化炉１から排出される生成ガスの温度が低下する。
【００３８】
ここで、２段のバーナを備えた旋回炉式のガス化炉を備えたガス化装置において、スラリを下段バーナが設けられた段部に供給する従来のガス化装置と、本実施形態のガス化装置との生成ガスのガス化炉からの出口温度と燃料のガスへの変換効率を比較した結果を表１に示す。なお、変換効率とは、原料の発熱量が生成ガスの発熱量に変換した割合を示す。すなわち、
（変換効率）＝（生成ガスの発熱量）／（燃料の発熱量）×１００
である。
【００３９】
【表１】

表１に示す結果のように、従来のガス化装置では、酸素／石炭重量比を０.８とすると、スラリ中の水分の影響でガス化炉内の温度は１３００℃程度となるため、原料中の灰分を溶融することができない。また、ガス化炉内の温度が１３００℃程度と低いため、変換効率も５５％と低い。そこで、ガス化剤である酸素の供給量を増やし、酸素／石炭重量比を１.０とすると、ガス化炉内温度が１５００℃程度となり、灰分を溶融させることができ、また、変換効率も６０％に上昇した。しかし、生成ガスのガス化炉からの出口温度は、１２００℃程度となり、生成ガスの同伴された灰分が半溶融状態となってガス化炉の出口部に付着した。
【００４０】
これに対して、本実施形態のガス化装置では、酸素／石炭重量比が１.０で、ガス化炉温度を１５００℃程度とすることができ灰分を溶融することができた。さらに、生成ガスのガス化炉からの出口温度は９００℃程度まで冷却でき、ガス化炉の出口部への灰の付着を抑制できた。また、変換効率は６０％となり、変換効率の低下はなかった。
【００４１】
このように本実施形態のガス化装置では、スラリがガス化炉１の上段バーナ２５が設けられた段部、つまりガス化炉１の生成ガスの出口２３側に供給されることにより、ガス化炉１の上段バーナ２５が設けられた段部の熱でスラリ中の水分が蒸発することにより、ガス化炉１の上段バーナ２５が設けられた段部が冷却され、ガス化炉１から排出される生成ガスの温度を低下できる。さらに、ノズル１１からガス化炉１内に供給されたスラリが、出口２３に向かうガス化炉１内の生成ガスの流れに対向する方向に流れることにより、スラリに含まれる未反応の可燃成分がガス化炉１内に留まる時間を長くでき、スラリに含まれる未反応の可燃成分の反応量を増加できる。したがって、燃料のガスへの変換効率を向上しながらガス化炉から排出される生成ガスの温度を低下できる。
【００４２】
さらに、本実施形態のガス化装置では、ガス化炉から排出される生成ガスの温度を低下できることにより、必要とされる冷却能力を低くできるため、図２に示す冷却器１７のようなガス化炉の出口に連続させて設けた冷却器を小型化できる。また、ガス化炉から排出される生成ガスの温度が、スラグが生成される可能性のある温度以下であれば、図２に示すような冷却器１７を、冷却器１７よりも冷却効率の高いガスが通流する流路内に冷却媒体が通流する複数の管路が設置された構造の冷却器に代えることで、さらに冷却器を小型化することもできる。加えて、スラリの供給によって冷却された生成ガスの温度にもよるが、図２に示す冷却器１７のようなガス化炉の出口に連続させて設けた冷却器を無くすこともできる。また、ガス化炉の出口に連続させて設けた冷却器を小型化または無くすことができることにより、ガス化装置の小型化やコストの低減ができる。
【００４３】
特に、本実施形態のような２段のバーナを有する旋回流式のガス化炉は、他の気流層方式のガス化炉に比べて高効率でガス化ができ、また、同処理量で比較するとより小さな炉容積にできることが特徴である反面、熱負荷が高くなるため、ガス化炉から排出される生成ガスの温度が他の気流層方式のガス化炉に比べて高い。このため、本実施形態のような旋回流式のガス化炉を備えたガス化装置では、他の気流層方式のガス化炉に比べて、冷却器１７のようなガス化炉の出口に連続させて設けた冷却器が大型化してしまい、ガス化装置の大型化やコストの増大が生じる場合が多い。したがって、本実施形態のような２段のバーナを有する旋回流式のガス化炉を備えたガス化装置に本発明を適用することは、ガス化装置の小型化やコストの低減といった効果が他の気流層方式のガス化炉を備えたガス化装置に比べて大きい。ただし、本発明は、旋回流式のガス化炉を備えたガス化装置に限らず、その他の２段のバーナを有するガス化炉や１段のバーナのみを有するガス化炉を備えたガス化装置など、様々な気流層方式のガス化炉を備えたガス化装置に適用できる。
【００４４】
さらに、本実施形態では、スラリ生成手段として洗浄水によって生成ガス中の煤塵を回収するガス洗浄器３と脱水機５を用いるため、煤塵を含むスラリを生成する際に、乾燥した状態で回収した煤塵に水を添加するための機器類を設ける必要がない。ただし、サイクロンなどを用いて生成ガスから乾燥状態で煤塵を回収し、これに水を加えてスラリを生成する構成にすることもできる。
【００４５】
また、本実施形態のガス化装置では、煤塵をスラリとしてポンプで加圧してガス化炉に再供給するため、ロックホッパを使用して乾燥状態の煤塵をガス化炉に再供給するものに比べ、煤塵搬送用の窒素ガスなどが不要となり、窒素ガスなどの生成ガスとして得たい目的とするガス以外のガスの生成ガス中の濃度を低減し、目的とするガスの生成ガス中の濃度を高くできる。例えば、固体燃料として炭化水素を用い水素ガスを得たい場合、水素ガスの生成ガス中の濃度を高くできる。また、ロックホッパを使用しないため、ロックホッパにかかわるコストを削減することができる。さらに、表１に示すように、固体燃料の生成ガスへの変換効率を向上できる。
【００４６】
また、本実施形態では、４本の下段バーナ２１、２本の上段バーナ２５、そして２本のノズル１１を備えた構成としているが、下段バーナ２１と上段バーナ２５は旋回流を形成できればよく、下段バーナと上段バーナの本数は適宜選択でき、また、本実施形態のノズル１１は、スラリをガス化炉１内に供給することを目的とするものであるため、ノズルの流量などに応じて本数は適宜選択できる。ただし、ノズル１１は、上段バーナ２５が形成する下降する旋回流を乱し難い本数及び配置で設置することが望ましい。
【００４７】
（第２の実施形態）
以下、本発明を適用してなるガス化装置の第２の実施形態について図５を参照して説明する。図５は、本発明を適用してなるガス化装置の概略構成と動作を示すブロック図である。なお、本実施形態では、第１の実施形態と同一のもの及び動作などには同じ符号を付して説明を省略し、第１の実施形態と相違する構成及び特徴部などについて説明する。
【００４８】
本実施形態のガス化装置が第１の実施形態と相違する点は、ガス化炉から排出される生成ガスの温度を検出し、この温度に応じてスラリ中の水の量を調整することにある。すなわち、本実施形態のガス化装置は、図５に示すように、生成ガス管路５９のガス化炉１の出口に連結された部分に、生成ガス管路５９内を通流する生成ガスの温度を検出する温度計６９、脱水機５の動作を制御する制御部７１などを有している。温度計６９と制御部７１、そして制御部７１と脱水機５は、各々配線７３を介して電気的に接続されている。
【００４９】
ここで、スラリの供給により冷却されてガス化炉から排出される生成ガスの温度は、スラリ中の煤塵と水との比によって決まる。そこで、本実施形態のガス化装置では、温度計６９が、ガス化炉１から排出される生成ガスの温度を計測して、その計測値に対応する温度信号を制御部７１に発信する。温度計６９からの温度信号を受信した制御部７１は、温度計６９で計測したガス化炉１から排出される生成ガスの温度と、予め設定した温度または温度範囲とから、ノズル１１からガス化炉１内に供給するスラリ中の水分濃度を演算し、脱水機５の動作を制御して、脱水機５で分離する水分量を調節する。そして、水分量が調整されたスラリがノズル１１からガス化炉１内に供給されることにより、ガス化炉１内の上段バーナ２５に対応する段部を冷却し、ガス化炉１から排出される生成ガスの温度を制御し、一定に保っている。
【００５０】
このように本実施形態のガス化装置では、ガス化炉１から排出される生成ガスの温度に応じて水分量を調整したスラリをガス化炉１の出口側に供給することにより、ガス化炉から排出される生成ガスの温度を制御できる。
【００５１】
ところで、前述のように、スラリの供給により冷却されてガス化炉から排出される生成ガスの温度は、スラリ中の煤塵と水との比によって決まるため、生成ガスに同伴される煤塵の量が変動するとガス化炉から排出される生成ガスの温度が変動することになる。このため、生成ガスに同伴される煤塵の量の変動が許容範囲にある場合には、第１の実施形態のように、煤塵を含む洗浄水から常に一定量の水を分離する構成でよいが、生成ガスに同伴される煤塵の量の変動が許容範囲を越える場合などには、本実施形態の構成のガス化装置を用いることが望ましい。
【００５２】
（参考例）
以下、本発明を適用してなるガス化装置の参考例について図６を参照して説明する。図６は、本発明を適用してなるガス化装置の概略構成と動作を示すブロック図である。なお、本参考例では、第１及び第２の実施形態と同一のもの及び動作などには同じ符号を付して説明を省略し、第１及び第２の実施形態と相違する構成及び特徴部などについて説明する。
【００５３】
本参考例のガス化装置が、第１及び第２の実施形態と相違する点は、ガス化炉の炉頂部に固体燃料とガス化剤を供給するバーナを備え、ガス化炉内で生成された生成ガスがガス化炉内を上方から下方に向かって流れ、生成ガスの出口がガス化炉の下部に設けられた下降流方式のガス化炉を備えていることにある。すなわち、本参考例のガス化装置は、下降流方式のガス化炉７５を備えており、生成ガス管路５９がガス化炉７５の下部に位置する出口に連結され、ガス化炉７５の炉頂部にバーナ７９が、ガス化炉７５の下部側つまり出口側の部分にノズル１１が設置されている。
【００５４】
固体燃料である予め微粉砕された石炭などは、バーナ７９に連結され、燃料の流路となる燃料供給管路８１及びバーナ７９を介してガス化炉７５に供給される。同時に、ガス化剤となる酸素が、バーナ７９に連結され、酸素または空気の流路となる酸素供給管路８３及びバーナ７９を介してガス化炉７５に供給される。ガス化炉７５内では、固体燃料中の可燃成分の一部がガス化剤により酸化されることにより、例えば約１５００℃といった高熱を発するとともに、上記可燃成分の残りは、水素や一酸化炭素といった可燃性のガスに変換される。発生した生成ガスは、ガス化炉７５の下部に位置する出口に連結された生成ガス管路５９に取り出される。
【００５５】
ガス洗浄器３からの洗浄排水を脱水機５で処理することにより生成された可燃成分を含む煤塵で形成されたスラリは、スラリポンプ７を用いて、ガス化炉７５の運転圧力以上に加圧され、ノズル１１を介してガス化炉７５の下部に供給される。本参考例のノズル１１は、ガス化炉７５内の上方に向けてスラリを噴出する状態で設置されており、ノズル１１から噴出されたスラリは、ガス化炉７５内の生成ガスの上方に向けて噴流される。したがって、ノズル１１からガス化炉７５内に供給されたスラリは、ガス化炉７５内の出口に向かう生成ガスの流れに対向する方向に流れる。これにより、ノズル１１からガス化炉７５内に供給されたスラリは、ガス化炉７５内の高温に曝される時間が長くなり、スラリ中の未反応の可燃成分が反応し、一酸化炭素などの可燃性ガスを発生する。さらに、ノズル１１からガス化炉７５内に供給されたスラリの水分は、ガス化炉７５に供給後、直ちに蒸発し、ガス化炉７５の下部を冷却してガス化炉７５から排出される生成ガスの温度を低下させる。
【００５６】
このように本参考例でも、燃料のガスへの変換効率を向上しながらガス化炉から排出される生成ガスの温度を低下できる。したがって、本発明は、第１及び第２の実施形態のような２段のバーナを備えた旋回流式のガス化炉や下方から上方に生成ガスが流れるガス化炉などを備えたガス化装置に限らず、ノズルから噴出されるスラリでガス化炉内のガス化炉の出口に向かう生成ガスの流れに対向する方向へのスラリの流れを形成することで、２段のバーナを備えた旋回流式のガス化炉や下方から上方に生成ガスが流れるガス化炉を備えたガス化装置以外の様々な気流層方式のガス化炉を備えたガス化装置に適用することができる。
【００５７】
（第３の実施形態）
本実施形態では、本発明を適用してなるガス化装置を備えた水素製造装置の一実施形態について図７を参照して説明する。図７は、本発明を適用してなるガス化装置を備えた水素製造装置の概略構成と動作を示すブロック図である。なお、本実施形態では、第１、第２の実施形態及び参考例と同一のもの及び動作などには同じ符号を付して説明を省略し、第１、第２の実施形態及び参考例と相違する構成及び特徴部などについて説明する。
【００５８】
本実施形態は、第１の実施形態のガス化装置を用いて水素製造装置を形成したものである。本実施形態の水素製造装置は、粒体状または粉体状の固体炭化水素、例えば微粉砕した石炭よりなる原料から水素ガスを製造するものであり、図６に示すように、第１の実施形態のガス化装置と同様の構成のガス化炉１、ガス洗浄器３、脱水機５、スラリポンプ７、洗浄水ポンプ９、そしてガス化炉１に設けられたノズル１１に加え、下段バーナ２１に下段側燃料管路３１を介して連結された下段原料ホッパ８５、上段バーナ２５に上段側燃料管路３３を介して連結された上段原料ホッパ８７、精製ガス管路６１に設けられて触媒が収容されたシフト反応器８９などで構成されている。
【００５９】
水素製造の原料である予め微粉砕された石炭は、下段原料ホッパ８５用と上段原料ホッパ８７用に分割され、下段原料ホッパ８５と上段原料ホッパ８７に収容される。下段原料ホッパ８５に収容された原料及び上段原料ホッパ８７に収容された原料は、それぞれ下段原料ホッパ８５及び上段原料ホッパ８７から定量排出され、下段原料ホッパ８５及び上段原料ホッパ８７の原料の搬出部に各々連結された下段原料搬送用窒素管路９１及び上段原料搬送用窒素管路９３から供給される搬送用窒素と混合されて気流搬送される。原料及び搬送用窒素は、下段側燃料管路３１を介して下段バーナ２１に、上段側燃料管路３３を介して上段バーナ２５に各々供給され、下段バーナ２１及び上段バーナ２５からガス化炉１内に供給される。このとき、下段バーナ２１と上段バーナ２５とには、各々下段側酸素管路３５と上段側酸素管路３７とによって酸素または空気が供給されるため、下段バーナ２１及び上段バーナ２５は、各々原料と共にガス化剤である酸素または空気をガス化炉１内に供給する。
【００６０】
ガス化炉１内では、原料と酸素が混合され、原料中の可燃成分の一部が酸化されて高熱を発する。また、残りの可燃成分は水素や一酸化炭素を主成分とするガスに変換され、生成ガスとしてガス化炉１から生成ガス管路５９に取り出される。生成ガス管路５９を通流する生成ガスは、ガス洗浄器３で洗浄水により同伴している煤塵を除去されるが、このとき、生成ガスは、１００℃以上であり、洗浄水の一部はこの熱によって蒸発し、精製ガスに混入する。ガス洗浄器３で得られた蒸気を含む精製ガスは、精製ガス管路６１に流入し、精製ガス管路６１に設けられたシフト反応器８９に導入される。シフト反応器８９内には、式（１）のシフト反応を促進させる触媒作用をもつシフト反応触媒、例えば銅−亜鉛系の触媒や鉄−クロム系の触媒などの公知の触媒が収容されている。
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２ …（１）
したがって、蒸気を含む精製ガスがシフト反応器８９に流入してシフト反応触媒と接触することにより、式（１）のシフト反応を生じ、精製ガス中の水素濃度を高め、精製ガスは、製品ガスとなってシフト反応器８９から取り出され、精製ガス管路６１を介して製品ガスを利用する設備や機器類などに送られる。このように、シフト反応器８９でのシフト反応に必要な水分は、ガス洗浄器３で蒸発して精製ガスに蒸気として混入した洗浄水の一部が使用される。
【００６１】
一方、ガス洗浄器３で生成ガスから回収された煤塵は、洗浄水と混合されて洗浄排水として洗浄排水管路６３に取り出される。洗浄排水管路６３に取り出された洗浄排水は、脱水機５に導入され、一部の水が分離されてスラリ化される。脱水機５によって精製されたスラリは、スラリポンプ７によりガス化炉１の運転圧力以上に加圧されて、スラリ供給管路６７を介してノズル１１に搬送され、ノズル１１からガス化炉１内に供給される。ガス化炉１内に供給されたスラリ中の未反応の炭素分は、ガス化炉１内で更に反応し、一酸化炭素などのガスに変換される。また、ガス化炉１内に供給されたスラリ中の水分は、ガス化炉１内の上段バーナ２５が設けられている段部を冷却すると共に、式（１）のシフト反応に使用されて水素ガスに変換される。
【００６２】
このように本実施形態の水素製造装置では、精製ガスに同伴された煤塵をスラリとしてガス化炉内の出口側に再供給することで、ガス化炉にスラリとして供給される適度な量の水分により、一酸化炭素を水素に変換し、生成ガス中の水素濃度を増大できる。さらに、ガス化炉の出口に連続させて設けた冷却器を小型化できるかまたは無くすことができることにより、水素製造装置を小型化できる。
【００６３】
また、本実施形態の水素製造装置では、ガス洗浄器３で洗浄水によって生成ガスを洗浄することで洗浄水の一部が蒸発し、蒸発した洗浄水がガス洗浄器３からの精製ガスに同伴する。この蒸気を同伴した精製ガスを、シフト反応触媒を収容したシフト反応器８９に導入することにより、精製ガス中に残った一酸化炭素を水素に変換することができる。このため、製品ガス中の水素濃度を一層増大することができる。さらに、これらのシフト反応に必要な水蒸気は、洗浄水の再供給と洗浄水の蒸発により賄うことができるため、水分を補うために別途ボイラなどを設ける必要がない。加えて、ガス洗浄器３により生成ガスを冷却するが、このとき、生成ガスの熱は、シフト反応器８９での反応に利用される水蒸気の発生、つまり洗浄水と直接接触して洗浄水の蒸発に使用される。したがって、別途ボイラなどを設け、生成ガスの熱でこのボイラによって水蒸気を発生させる場合と比較して熱効率の低下が少ないか、またはない。
【００６４】
また、本発明は、第１乃至第２の実施形態の構成のガス化装置、及び第３の実施形態の水素製造装置に限らず、気流層方式のガス化炉を備えた様々な構成のガス化装置や水素製造装置に適用することができる。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料のガスへの変換効率を向上しながらガス化炉から排出される生成ガスの温度を低下できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用してなるガス化装置の第１の実施形態の概略構成と動作を示すブロック図である。
【図２】第１の実施形態のガス化装置が備えるガス化炉の概略構成と動作を示す縦断面図である。
【図３】第１の実施形態のガス化装置が備えるガス化炉の概略構成と動作を示す下段バーナが設けられた段部の横断面図である。
【図４】第１の実施形態のガス化装置が備えるガス化炉の概略構成と動作を示す上段バーナが設けられた段部の横断面図である。
【図５】本発明を適用してなるガス化装置の第２の実施形態の概略構成と動作を示すブロック図である。
【図６】本発明を適用してなるガス化装置の参考例の概略構成と動作を示すブロック図である。
【図７】本発明を適用してなるガス化装置を備えた水素製造装置の一実施形態の概略構成と動作を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ガス化炉
３ガス洗浄器
５脱水機
７スラリポンプ
１１ノズル
２１下段バーナ
２５上段バーナ
５９生成ガス管路

Claims

固体燃料を部分燃焼させてガスを生成するガス化炉の生成ガスの出口側の部分に、該出口から排出された前記生成ガスに同伴された未反応の可燃成分を含む煤塵を回収して生成したスラリを供給し、該供給されたスラリを、前記ガス化炉内の前記出口に向かう生成ガスの流れである上昇流に対向する方向に流すガス化方法。
前記ガス化炉が、該ガス化炉内に前記固体燃料を供給する下段バーナと、前記ガス化炉の前記下段バーナよりも前記出口側の部分に設けられ、前記ガス化炉内に前記固体燃料を供給すると共に前記ガス化炉内に下降流を形成する上段バーナとを有し、前記スラリを、前記ガス化炉の前記上段バーナが設けられた段部に供給することを特徴とする請求項１に記載のガス化方法。
前記スラリを前記ガス化炉内に噴出し、前記ガス化炉内に前記出口に向かう生成ガスの流れに対向する方向への流れを形成することを特徴とする請求項１に記載のガス化方法。
固体燃料を部分燃焼させてガスを生成するガス化炉と、該ガス化炉で生成された生成ガスが通流する生成ガス流路と、該生成ガス流路に設けられて前記生成ガスに同伴された未反応の可燃成分を含む煤塵を回収し、該回収された煤塵からスラリを生成するスラリ生成手段と、該スラリ生成手段で生成したスラリを加圧して搬送するポンプと、該ポンプによって前記スラリ生成手段から搬送されたスラリを前記ガス化炉内に供給するノズルとを備え、該ノズルは、前記ガス化炉の生成ガスの出口側の部分に設けられており、前記ノズルから前記ガス化炉内に供給されたスラリは、前記出口に向かうガス化炉内の生成ガスの流れである上昇流に対向する方向に流れてなるガス化装置。
前記ガス化炉は、該ガス化炉内に前記固体燃料を供給する下段バーナと、前記ガス化炉の前記下段バーナよりも前記出口側の部分に設けられ、前記ガス化炉内に前記固体燃料を供給すると共に前記ガス化炉内に下降流を形成する上段バーナとを有し、前記ノズルは、前記ガス化炉の前記上段バーナが設けられた段部に設けられていることを特徴とする請求項４に記載のガス化装置。
前記ノズルは、前記ガス化炉内にスラリを噴出して、前記ガス化炉内に前記出口に向かう生成ガスの流れに対向する方向への流れを形成してなることを特徴とする請求項４に記載のガス化装置。
前記スラリ生成手段は、生成ガス流路を通流する生成ガスを水またはアルカリ溶液で洗浄して前記生成ガスに同伴された煤塵を生成ガスから除去して回収する洗浄器と、該洗浄器で回収された煤塵を含む洗浄排水から水の一部を除去してスラリ中の水の量を調整する脱水機とを有することを特徴とする４乃至６のいずれか１項に記載のガス化装置。
前記ガス化炉から排出される生成ガスの温度を測定する温度検出器を備え、前記スラリ生成手段は、前記温度検出器で検出した生成ガスの温度に応じてスラリ中の水の量を調整してなることを特徴とする請求項４乃至７のいずれか１項に記載のガス化装置。
請求項１乃至８のいずれか１項に記載のガス化装置を備え、前記固体燃料が固体炭化水素であることを特徴とする水素製造装置。
請求項１乃至８のいずれか１項に記載のガス化装置と、該ガス化装置から排出される生成ガスに含まれる一酸化炭素と水から水素を生成する反応に対する触媒を有する触媒反応器とを備え、前記固体燃料が固体炭化水素であることを特徴とする水素製造装置。